基于分数阶微积分的PEMFC建模与控制方法研究

环境污染和能源匮乏无疑已成为本世纪全球面临的重要难题,燃料电池作为一种发电方式,提供了一种新的解决方案,是电力能源领域的革命性成果。其中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快及稳定性好等特点,具有广阔的应用前景。PEMFC系统建模与控制系统设计是PEMFC发电技术的重要研究方向之一,先进的PEMFC建模与控制技术,对于分析预测系统性能、提高发电效率、保障运行安全等方面均具有重要意义。 研究表明,分数阶微积分对于描述热力学系统、柔性系统等非刚性运动的动态性能有独特的优势,因此,本文主要基于分数阶微积分对PEMFC建模与控制方法进行了相关研究,主要内容如下： (1)给出了一种基于误差性能指标的分数阶PIλDμ控制器设计方法,仿真表明分数阶PIλDμ控制器对于整数阶及分数阶被控对象均可取得比整数阶PID更加理想的调节效果。 (2)分析了常规R//C电路与分数阶R//C电路的性能特点,在频域上分别用一阶惯性环节及带分数阶微分的惯性环节进行描述,仿真结果显示分数阶惯性环节的阶跃响应具有更加丰富的曲线形式。结合分数阶微积分的特点,基于PEMFC内部工作机理,建立了PEMFC电特性及温度特性的稳态模型和分数阶动态模型。 (3)分析电堆温度对各极化过电压的影响,结合实验数据,得出了最佳工作温度的拟合公式。搭建电堆温度特性Simulink仿真模型,基于模型对分数阶PIλDμ控制器参数进行寻优,基于GL定义完成PIλDμ控制器的数值计算。 (4)设计了PEMFC测控系统,对上位机软件作了详细描述,给出所采集的实验数据曲线,验证了模型的准确性及所设计控制器的有效性。